Un nou estudi de la Universitat de Lanzhou i la Universitat de Hubeiproposa un sistema innovador per carregar bateries quàntiques utilitzant una guia d'ones.
Les bateries convencionals, malgrat els grans avenços en els últims anys, continuen presentant reptes importants: millorar l’emmagatzematge d’energia, augmentar la durabilitat i accelerar els temps de càrrega. Les bateries quàntiques, per la seva banda, ofereixen un camí alternatiu aprofitant els principis de la mecànica quàntica, com l’entrellat i la coherència, per obtenir un rendiment superior respecte a les tecnologies tradicionals. L’objectiu és superar les limitacions de la física clàssica i aconseguir una càrrega més ràpida, més eficient i amb una extracció d’energia més gran.
L'estudi se centra en un model on tant la bateria com el carregador són sistemes de dos nivells d’energia, coneguts com TLS (per les sigles en anglès de "two-level systems"). En aquest escenari, la bateria i el carregador poden intercanviar energia mitjançant una interacció coherent. Tanmateix, aquestes interaccions són fràgils i molt sensibles al seu entorn, cosa que fa que es produeixi un fenomen anomenat decoherència. Aquesta decoherència implica la pèrdua espontània d’energia de la bateria, sovint descrit com l’envelliment de la mateixa.
Una altra dificultat en aquest tipus de sistema és que la càrrega es veu afectada per la distància entre la bateria i el carregador. Per això, una part clau de la proposta és utilitzar guies d'ones —estructures metàl·liques i buides que dirigeixen ones electromagnètiques— com a pont entre la bateria i el carregador. Aquestes guies permeten transferir energia a distància sense contacte directe, i ho fan d’una manera controlada i eficient.
En aquest nou sistema, el carregador es troba en un estat excitat i la bateria en un estat bàsic. El carregador emet un fotó (una unitat d’energia electromagnètica) que viatja a través de la guia d’ones i és absorbit per la bateria, que passa a un estat excitat. Curiosament, tot i que aquest procés implica un camp electromagnètic amb infinits modes possibles (el que normalment comportaria una gran decoherència), el camp es comporta com un entorn favorable, facilitant la transferència coherent d’energia. Això contradiu la idea habitual que més complexitat equival a més pèrdues: en aquest cas, el sistema es manté estable i funcional.
Aquest descobriment suggereix que el problema de l’envelliment de la bateria pot ser molt menor del que es pensava en aquests sistemes. De fet, es podria arribar a un procés de càrrega més òptim del que es podria aconseguir amb una connexió directa.
A més, aquest enfocament obre la porta a la càrrega sense fils basada en sistemes quàntics, gràcies a la formació d’estats lligats dins l’espectre energètic del sistema. Les connexions quàntiques establertes a través de la guia d’ones poden convertir-se en una eina clau per millorar el rendiment de les bateries, fent-les més eficients, lleugeres i duradores.
Mirant cap al futur, es preveu el desenvolupament de models de bateries quàntiques de molts cossos que puguin funcionar com a sistemes de càrrega sense fils a gran escala. Aquest pas podria integrar plenament els avantatges de l’entrellat quàntic, millorant no només la potència i la capacitat de càrrega, sinó també la quantitat de treball útil que es pot extreure d’una bateria d’aquest tipus. Tot plegat, representa un pas de gegant cap a una nova generació de tecnologies energètiques..
Resum per Ramon Gallart
Articles originals:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.09040.1
https://arxiv.org/abs/2308.13784
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada